Pyörät ja akselit

Pyörän ja akselin (tanko, jonka ympärillä pyörä pyörii) keksiminen noin 5500 vuotta sitten Lähi-idässä mullisti kulkuvälineitä ja toi vähitellen valtavia muutoksia yhteiskuntaan, mutta mikä siitä teki niin erikoisen?Painavalla laatikolla lastattua kärryä on helpompi työntää kuin samaa laatikkoa maata pitkin, sillä kärryn pyörät ja akselisto pienentävät kitkaa ja tuovat vipuvoimaa. Saat selville, miten tämä tapahtuu pääartikkelissamme pyörien toiminnasta.

Artwork: Pyörä voi toimia joko voiman tai nopeuden moninkertaistajana (mutta ei molempia samaan aikaan). jos pyörän ulkopintaa (vanne) käännetään, keskellä oleva akseli pyörii pienemmällä nopeudella mutta suuremmalla voimalla, joten pyörä toimii voiman moninkertaistajana. Jos sen sijaan käännetään akselia (kuten autossa), pyörä muuttuu nopeuden moninkertaistajaksi. akseli kääntyy vain lyhyen matkan (sininen nuoli), mutta pyörän vipuvoiman ansiosta ulompi vanne kääntyy paljon pidemmälle (punainen nuoli) samassa ajassa. Näin pyörä auttaa sinua kulkemaan nopeammin.

Suuria pyöriä käytetään voiman moninkertaistamiseen myös muilla tavoin.Esimerkiksi putkiin on asennettu pyöriä, joita kutsutaan sulkuhanoiksi (tai sulkuventtiileiksi). Kun käännät sulkuhanan ulkokehää, sisempi akseli pyörii paljon suuremmalla voimalla, joten putki on helpompi sulkea. Myös ohjauspyörät toimivat näin. Kuorma-autossa tai linja-autossa on usein suurempi ohjauspyörä kuin henkilöautossa, koska sen pyörien kääntämiseen tarvitaan enemmän voimaa. Isompi pyörä antaa kuljettajalle enemmän vipuvoimaa.

Pyörät voivat moninkertaistaa matkan ja nopeuden sekä voiman. Polkupyörissä on suuret pyörät, joten ne kulkevat nopeammin. Kun poljet poljinta, annat voimaa pyörän sisäpuolelle. Mutta pyörän ulompi vanne pyörii nopeammin ja kattaa enemmän maata, joten polkemallasi on paljon suurempi vaikutus. Auton pyörät toimivat samalla tavalla.

Pyöräkärryissä yhdistyvät pyörät ja vivut loistavasti. Pyöräkärryjen avulla on todella helppoa kuljettaa kuormaa paikasta toiseen – kahdesta syystä. Ensinnäkin sen pitkä runko toimii kuin vipu, jolloin kuormaa on paljon helpompi nostaa. Toiseksi kuormaa on helpompi työntää kottikärryn avulla, koska ainoa kitka on pyörän ja akselin välillä.Jos kuormaa työnnettäisiin karhean maanpinnan yli ilman kottikärryä, kitka olisi paljon suurempi.

Gears

Kuva: Hammaspyörä on tehty kahdesta tai useammasta erikokoisesta pyörästä, joiden reunoihin on leikattu hampaita, jotta ne ”tarttuvat toisiinsa” (pyörivät yhdessä liukumatta).

Hammaspyörät ovat hampaita sisältäviä pyöriä, jotka voivat joko lisätä koneen nopeutta tai voimaa, mutta eivät molempia samaan aikaan. Polkupyörät käyttävät vaihteita molemmilla tavoilla. Jos haluat polkea mäkeä ylös,käytät vaihteita voiman lisäämiseksi, jotta sinun ei tarvitse ponnistella niin kovaa, vaikkakin ansiona on, että ne vähentävät samalla nopeuttasi. Jos ajat kilpaa suoraa tietä pitkin, voit käyttää vaihteita nopeuden lisäämiseksi, mutta tällä kertaa juju on siinä, että ne vähentävät voimaa. Vaihteet toimivat täsmälleen samalla tavalla kuin vivut (aivan kuten pyörätkin), vaikkei se olekaan ilmiselvää vain niitä katsomalla, ja tämä vaatii melko paljon selittämistä, joten emme mene tässä yhteydessä yksityiskohtiin. Sen sijaan voit lukea kaiken siitä vaihteet-artikkelistamme.

Pyörät

Sijoittamalla kaksi tai useampia pyöriä yhteen ja kiertämällä köyden niiden ympärille useita kertoja saat aikaan tehokkaan nostolaitteen, jota kutsutaan hihnapyöräksi. Joka kerta, kun köysi kietoutuu pyörien ympärille, luodaan lisää nostovoimaa tai mekaanista etua. Jos pyöriä on neljä ja köysi kietoutuu niiden ympärille, hihnapyörä toimii ikään kuin neljä köyttä tukisi kuormaa.Voit siis nostaa neljä kertaa enemmän, vaikka juju onkin siinä, että joudut vetämään köyttä neljä kertaa pidemmälle.Lue lisää hihnapyörät-artikkelistamme.

Rampit ja kiilat

Artwork: Kirveen pää toimii rampin tavoin. Kun se tehoaa puuhun, puu halkeaa kahtia vinosti. Tämä tarkoittaa, että voit leikata puuta kohdistamalla pienemmän voiman suuremmalle matkalle. Jos haluaisit repiä tukin paljain käsin kappaleiksi, sinun täytyisi käyttää paljon suurempaa voimaa (tosin paljon lyhyemmällä matkalla).

Jos olet koskaan auttanut vetämään venettä merestä, tiedät, että se on merellisempää tehdä, jos rannassa on ramppi. Sen sijaan, että nostaisit venettä pystysuoraan,suoraan ylös, voit saada sen merestä paljon pienemmällä voimalla, jos nouset ramppia ylös. Käytät vähemmän voimaa, mutta joudut vetämään venettä pidemmän matkan, joten käytät kummassakin tapauksessa saman verran energiaa. Mäkikävijät käyttävät joskus ajatusta rampista päästäkseen jyrkän nousun huipulle. Kävelemällä sivulta toiselle kiipeäessään he luovat tehokkaasti oman rampin. Kukkulasta tulee vähemmän jyrkkä, mutta he joutuvat kävelemään melko paljon pidemmälle päästäkseen huipulle.

Ramppeja kutsutaan joskus kalteviksi tasoiksi tai kiiloiksi.Kirveen pää on eri tavalla toimiva kiila. Kirves irrottaa puuta kahdella tavalla. Kahva toimii kuin vipu, joka suurentaa kohdistettua voimaa. Kiilan muotoinen terä keskittää voiman pienemmälle alueelle, jolloin puuhun kohdistuva paine kasvaa ja puu halkeaa. Veitsen terä toimii samalla tavalla.

Ruuvit

Kuva: Ruuvin spiraalimainen kierre tarkoittaa, että sen lyöminen puuhun kestää kauemmin, mutta – ainakin teoriassa – siihen tarvitaan vähemmän voimaa. Urat myös auttavat ruuvia pysymään paikallaan.

Ruuvi pureutuu puuhun, kun sitä käännetään ympäri. Usein lukee tiedekirjoja, joissa sanotaan, että ruuvi on ”kuin ympyrään kierretty ramppi”, mikä on aika hämmentävää ja vaikeasti ymmärrettävää. Mutta kuvittele, että olet muurahainen ja haluat kiivetä ruuvin alareunasta huipulle. Jos kiipeät pystysuoraan ulkoreunaa pitkin, pääset suhteellisen lyhyen matkan, mutta se vaatii valtavan paljon kiipeilyvoimaa. Jos kävelet ruuvin kierrettä pitkin ylöspäin, kierryt ympäri ja ympäri, kävelet oikeastaan eräänlaisia kierreportaita ylöspäin – ramppia, joka on kierretty ympyrän muotoon. Kyllä, kävelet paljon kauemmas, mutta se on paljon helpompaa. Ruuvissa on toinenkin hyvä puoli: koska ruuvin pää on suurempi kuin sen alla oleva akseli, ruuvi toimii kuin pyörä (tai vipu): joka kerta kun käännät päätä, sen alla oleva teroitettu kärki pureutuu puuhun suuremmalla voimalla. Kartiomainen (kartiomainen) muotoilu helpottaa ruuvin lyömistä sisään.

Koneita on kaikkialla ympärillämme!

Se on suurin piirtein kaikki yksinkertaisten koneiden tiede.Kun ymmärrät, miten koneet toimivat, alat nähdä niitä kaikkialla. Jopa kehosi on täynnä koneita. Esimerkiksi luurankosi on kokoelma vipuja! Tutustu kotiisi ja katso, kuinka monta muuta ”yksinkertaista konetta” voit havaita. Tulet hämmästymään, kuinka monta niitä on!

Onko siinä jokin juju?

Nostaminen, leikkaaminen, pilkkominen, siirtäminen, taivuttaminen – edellä tarkastelemiemme kaltaiset koneet helpottavat kaikenlaisten asioiden tekemistä tekemällä suurempia voimia kuin mitä normaalisti pystyt luomaan omalla kehollasi. Ensisilmäyksellä tämä kuulostaa siltä, että se voisi avata tien sellaisen koneen suunnitteluun, joka voi antaa meille jotakin ilmaiseksi – ehkä sellaisen, joka voi tuottaa energiaa tyhjästä, tai ikuisen liikkeen koneen, joka toimii ikuisesti.

Käytännössä fysiikan lait ovat tiukkoja, ja jos teet elämästäsi helpompaa jollakin tapaa, teet sen kompensoidaksesi sen aina vaikeammaksi jollakin toisella tavalla. Tämä on tiedemiesten tapa sanoa ”ilmaista lounasta ei ole olemassakaan”, ja fysiikassa se kulkee nimellä energian säilymislaki(yksinkertaisesti sanottuna: emme voi saada energiaa ilmestymään maagisesti tyhjästä). Joten aina kun sinulla on kone, joka antaa sinulle enemmän voimaa, se ei anna sinulle ylimääräistä energiaa, jota sinulla ei ollut ennen.Esimerkiksi hihnapyörän avulla köydet ja pyörät antavat sinulle paljon enemmän nostovoimaa, mutta joudut nostamaan niitä paljon pidemmälle,joten käytät täsmälleen saman määrän energiaa kuin olisit käyttänyt ennenkin. Käytät sitä vain hitaammin ja pienemmällä vaivalla, joten nostaminen tuntuu helpommalta. Samalla tavalla voit nostaa paljon painavampaa ystävääsi heilurilla istumalla kauempana tasapainopisteestä kuin hän on, mutta sinun on liikutettava jalkojasi paljon kauemmaksi kompensoidaksesi tämän. Saat lisävoimaa, mutta et ylimääräistä energiaa – ja siinä on juju.

Taidot: Heilurin avulla voit luoda ylimääräistä nostovoimaa. Pieni punainen ihminenvoi nostaa isoa sinistä ihmistä istumalla kauempana nivelpisteestä. Se tarkoittaa, että hän voi nostaa suuremman voiman, muttajujuju on siinä, että hänen täytyy liikuttaa omaa kehoaan paljon suuremman matkan yli. Tämä kone tuottaa enemmän voimaa, mutta ei enempää energiaa.